PBJ | 扬州大学高继平团队揭示OsNAC24-OsNAP复合体调控水稻淀粉合成的新机制

淀粉约占水稻胚乳干重的90%，是胚乳中含量最丰富的储藏物质，也是决定稻米品质的关键因素。虽然目前参与淀粉合成的酶类已基本清楚，但是对淀粉合成调控机制的了解较少，制约了稻米品质改良的进程。近日，扬州大学高继平课题组在Plant Biotechnology Journal发表题为“The OsNAC24-OsNAP protein complex activates OsGBSSI and OsSBEI expression to fine tune starch biosynthesis in rice endosperm”的研究论文。该研究揭示了两个NAC家族转录因子OsNAC24和OsNAP协同调控淀粉合成的分子机制。当OsNAC24单突变或OsNAC24和OsNAP双突变时，直链淀粉含量均降低，从而改善稻米的食味品质，并且不影响稻米的外观品质。该研究为稻米品质的遗传改良提供了理论依据。

淀粉是人类碳水化合物的重要来源。胚乳中的淀粉通常由线性或极少分支的直链淀粉和高度分支的支链淀粉组成。在禾谷类作物的胚乳中，由ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPases）催化产生的ADP-葡萄糖是淀粉合成的底物。直链淀粉主要由结合淀粉颗粒的淀粉合成酶I（OsGBSSI）负责合成，而支链淀粉则由多个可溶性淀粉合成酶（SSs）、淀粉分支酶（SBEs）、淀粉去分支酶（DBEs）共同合成。淀粉的含量及其理化性质对稻米品质有着至关重要的影响。直链淀粉含量通常在0-30%之间，虽然比例较低，却是影响稻米品质的主要因素。直链淀粉含量较高的米饭口感较硬，食味品质较差，而直链淀粉含量较低的米饭口感软糯，食味品质较好。降低直链淀粉含量是当前稻米品质改良的主要手段。目前已经发现了一些淀粉合成酶编码基因的调控因子，但是这些调控因子功能缺失时大都会产生垩白增加、籽粒皱缩等不利表型，限制了它们在育种改良中的应用。

在本研究中，研究人员克隆了一个在未成熟胚乳中高表达的NAC家族转录因子基因OsNAC24。表型分析发现，osnac24突变体胚乳的外观与野生型之间没有显著差异，淀粉颗粒形态正常且紧密排列，但是直链淀粉含量以及总淀粉含量下降，而可溶性糖含量上升，支链淀粉的理化性质也发生改变（图1）。上述结果表明OsNAC24精细调控淀粉合成，该基因突变使直链淀粉含量降低，但不影响稻米的外观品质。OsNAC24过表达植株的胚乳则出现垩白，并且垩白部位的淀粉颗粒呈球状，疏松排列，直链淀粉含量上升（图1）。

图1. OsNAC24调控淀粉合成。

随后，研究人员利用ChIP-seq、 ChIP-PCR、双荧光素酶报告系统等方法证实，OsNAC24直接结合并激活OsGBSSI、OsSBEI、OsAGPS2、OsSSI、OsSSIIIa等淀粉合成酶编码基因（图2）。在osnac24突变体中，OsGBSSI和OsSBEI的表达量和蛋白含量都降低，因此OsNAC24主要通过OsGBSSI和OsSBEI调控淀粉合成。OsNAC24可以与经典的顺式作用元件CACG结合。此外，OsNAC24还能够与新的顺式作用元件如TTGACAA、AGAAGA、ACAAGA等结合（图2）。

图2. OsNAC24 直接结合并激活淀粉合成酶编码基因OsGBSSI和OsSBEI。

为了进一步探究OsNAC24调控淀粉合成的分子机制，研究人员又通过酵母双杂交技术筛选到了OsNAC24的互作蛋白OsNAP（图3）。当OsNAC24单独存在时，OsNAC24蛋白定位于细胞质和细胞核。当OsNAP与OsNAC24同时存在时，OsNAC24完全定位于细胞核，对靶基因转录的促进作用显著增强（图3）。

图3. OsNAP与OsNAC24相互作用，共同促进靶基因的转录。

osnap突变体以及osnac24 osnap双突变体的胚乳均具有与osnac24相同的表型，例如胚乳的外观与野生型无显著差异、淀粉颗粒形态规则且紧密排列、总淀粉含量降低、可溶性含量升高等（图4）。osnap突变体中直链淀粉含量与野生型相近，但是osnac24 osnap双突变体的直链淀粉含量低于osnac24突变体（图4）。上述结果说明OsNAC24和OsNAP协同调控水稻胚乳中的淀粉合成（图5）。

图4. OsNAP与OsNAC24协同调控淀粉合成。

图5. OsNAC24-OsNAP复合体调控淀粉合成的模式图。

扬州大学农学院博士后金素奎、中国科学院分子植物科学卓越创新中心工程师许丽娜、扬州大学农学院副教授冷语佳为论文共同第一作者；扬州大学农学院高继平教授和蔡秀玲正高级工程师为共同通讯作者。该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省科技厅、广东省重点研发项目、中国博士后科学基金等项目资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14124

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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